JPWO2016125301A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

レーザ装置は、複数のレーザダイオード、複数のレーザダイオードと対応して設けられた複数の光学素子、複数のレーザダイオードに対応して設けられ、各レーザダイオード毎にレーザダイオードと光学素子とを固定して作製される複数のユニット１２ａ，１２ｂ、複数のレーザダイオードから出射されるビームをファイバに集光させる集光部と、複数のユニットと集光部とを収納する収納部２０、複数のユニットの放熱を行うための放熱部２１を備える。放熱部と各ユニットとの間に、熱抵抗値が所定値以下の熱抵抗低下素子１３ａ，１３ｂを設けるか、又は熱抵抗低下処理を施した。

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等に用いられるレーザ装置に関する。

複数のレーザダイオード（ＬＤ）から得られるビームをバンドルし、高出力を得るレーザ装置が知られている。特許文献１に記載されたレーザ装置は、プロジェクタ向けであり、ビームをレンズから出力し空間に投影している。レーザダイオードやレンズ等の光学部品を機械精度によって配置していた。

微小スポットにビームを集中させる場合は、より高輝度なビームが必要となる。複数のレーザダイオードから出射されたビームをファイバに入力し、ビームを整形し、出力を得る方法が知られている。例えばコア径Φ４００μｍのファイバにビームを入力して高出力を得る場合、光学系の調整には高い精度が要求されなかった。

より微小なスポットに照射可能な高輝度レーザビームを得る場合には、光量一定の条件においては、光源面積を小さくしなければならない。つまり、ファイバから出射されるレーザにおいては、コア径の小さなファイバを利用すれば、高輝度レーザビームが得られる。このとき、コア径の小さなファイバにビームを入力するためには、レーザダイオードやレンズ等の光学部品の調整技術が必要となる。

ここで、コア径の小さな、例えばΦ５０、１００μｍのファイバに複数のビームを入力し、高輝度でかつ高出力ビームを得る場合を考える。このとき、ある程度の精度で位置決めを行った場合には、ファイバのコアにビームを入力することは難しい。コアに入力されずクラッドに入力されたビームは、クラッド中を伝搬し出射されることにより、ビームの品質が悪化し、伝送損失が増大する。また、クラッドにも入力されなかったビームは、ファイバを伝搬しない。これらの影響により、ビームの品質、結合効率が悪化し、ロスが大きくなる。

また、高出力ビームを得る場合に、複数のビームを一つのファイバに入力するためには、レーザダイオードから出射されたビームをコリメートし、コアに集光する方法が用いられる。この方法としては、レーザダイオード及びコリメートレンズを１つのユニットとして組み立て、そのユニットの位置、向きを微調整し、ビームをコアに導光する。このとき、コアへのガイド用光学素子の位置を機械加工精度で決めて固定した後、ユニットの位置を調整し、ビームをコアに入力することができる。

また、高出力レーザビームを得る場合には、レーザダイオードの放熱が重要である。レーザダイオードの温度が上昇すると、光出力が低下し、寿命も低下する。このため、レーザダイオードの放熱を促進するためにレーザダイオードの背面に熱伝導率の大きな放熱板を取り付けている。

特開２０１３−１９６９４６号公報 特開２００７−１７９２５号公報

しかしながら、ユニット毎の位置、向きを調整する場合、各材料の寸法公差、幾何公差、ファイバやレンズの位置、角度のズレ、溶接時の収縮によるズレ等が積み重なったため、各ユニットの背面（光出射面の反対側）は、ホルダ（ユニットや集光レンズ、ファイバの保持部材）と放熱板の面に対して、完全に平行とはならず、若干傾く傾向にあった。

このため、各ユニット背面の傾きによって、ユニット背面と放熱板間に隙間が発生する。従って、各ユニットと放熱板との接触面積が小さくなり、熱抵抗が増加する。

なお、放熱板とヒートシンクの冷却能力が十分に条件において、熱抵抗を減らすために絶縁伝熱材料を挿入する等の対処策が取られても、一般的な絶縁伝熱材料は金属よりも熱抵抗が大きいため、レーザダイオードを十分に放熱することができない。このため、レーザダイオード電流を上昇させると、熱抵抗が小さい時と比較して温度が上昇し、所定の光出力を得るために必要なレーザダイオード電流が増加してしまう。熱抵抗が小さい時よりもレーザダイオード電流の増加による効率の低下が大きく、想定の出力が得られない。

さらに、高出力ビームを得るために、レーザダイオードの個数を増加し、さらに多くのレーザダイオードビームをバンドルする時においては、レーザダイオードの数だけズレ発生率、ズレの度合いが大きくなり、熱抵抗が大きくなってしまう。

本発明は、各ユニットと放熱板との接触面積を増大させることにより、レーザダイオード電流を上昇させた時のレーザダイオードの温度上昇及び効率低下を防止することができるレーザ装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザダイオードと対応して設けられた複数の光学素子と、前記複数のレーザダイオードに対応して設けられ、各レーザダイオード毎に、レーザダイオードと光学素子とを固定して作製される複数のユニットと、前記複数のレーザダイオードから出射されるビームをファイバに集光させる集光部と、前記複数のユニットと前記集光部とを収納する収納部と、前記複数のユニットの放熱を行うための放熱部とを備え、前記放熱部と各ユニットとの間に、熱抵抗値が所定値以下の熱抵抗低下素子を設けるか、又は熱抵抗低下処理を施した。

本発明によれば、放熱部と各ユニットとの間に、熱抵抗値が所定値以下の熱抵抗低下素子を設け又は熱抵抗低下処理を施したので、各ユニットと放熱板との接触面積を増大させることができる。これによって、レーザダイオード電流を上昇させた時のレーザダイオードの温度上昇及び効率低下を防止することができるレーザ装置を提供することができる。

図１は本発明の実施形態に係るレーザ装置においてコリメートレンズホルダとＬＤホルダからなるユニットの構成を示す図である。 図２は本発明の実施形態に係る複数のレーザダイオードを使用したレーザ装置の光学系を示す図である。 図３は本発明の実施形態に係るレーザ装置の全体構成図である。 図４は本発明の実施形態に係るレーザ装置の実施例１の構成図である。 図５は本発明に係るレーザ装置の実施例２の構成図である。 図６は本発明に係るレーザ装置の実施例３の構成図である。 図７は本発明に係るレーザ装置の実施例４の構成図である。 図８は本発明に係るレーザ装置の実施例５の構成図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ装置を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係るレーザ装置においてコリメートレンズホルダ１１−１とＬＤホルダ１０−１からなるユニット１２の構成を示す図である。図２は本発明の実施形態に係る複数のレーザダイオード１０を使用したレーザ装置の光学系を示す図である。図３は本発明の実施形態に係るレーザ装置の全体構成図である。

レーザ装置は、複数のレーザダイオード１０と、複数のレーザダイオード１０と対応して設けられた複数のコリメートレンズ１１（本発明の光学素子に対応）と、複数のレーザダイオード１０に対応して設けられ、各レーザダイオード１０毎に、レーザダイオード１０とコリメートレンズ１１とを固定して作製される複数のユニット１２と、レーザダイオード１０から出射されるビームをファイバ１６に集光させる集光レンズ１５（本発明の集光部に対応）と、複数のユニット１２と集光レンズ１５とを収納するホルダ２０（本発明の収納部に対応）と、複数のユニット１２の放熱を行うための放熱板２１（本発明の放熱部に対応）を備えている。

レーザダイオード１０は、図１に示すように、ＬＤホルダ１０−１に固定され、コリメートレンズ１１は、コリメートレンズホルダ１１−１に固定される。ＬＤホルダ１０−１とコリメートレンズホルダ１１−１とからコリメートビームが予め決めた許容範囲に出射されるように確認しながら、ＬＤホルダ１０−１とコリメートレンズホルダ１１−１とを溶接して固定することにより、ユニット１２を作製することができる。以上の処理を繰り返すことにより、複数のユニット１２を作製する。

図２では、ユニット１２が２つの例である。ユニット１２の数は、２つに限定されることなく、３つ以上でも良い。図２に示すように、ユニット１２ａ，１２ｂは、互いに所定距離離間して配置され、ホルダ２０に収納固定されている。ホルダ２０は、さらに、２つのミラー１４、集光レンズ１５を収納している。また、ホルダ２０の外部には、集光レンズ１５に対向してコア１７とクラッド１８とからなるファイバ１６が配置されている。

図２に示すように、ユニット１２ａから出射されたビーム１３ａは、ミラー１４により進行方向を制御され、ファイバ１６のコア１７に結合するように集光レンズ１５に進行する。ユニット１２ａからのビームとユニット１２ｂからのビームとが集光レンズ１５により集光されて、コア１７に結合するようにユニット１２ａとユニット１２ｂとの位置を調整し、各ユニット１２ａ，１２ｂ及びホルダ２０間をレーザ溶接して固定する。

図３において、放熱板２１の一方の面には、ユニット１２が接触して配置され、放熱板２１の他方の面には、襞状に形成されたヒートシンク２２が接触して配置されている。

まず、ユニット１２とホルダ２０との位置関係が理想的である場合について説明する。図３に示すように、ユニット１２と放熱板２１との接触面積が大きい場合には、熱抵抗が小さくなる。放熱板２１には、レーザダイオード１０のケーブルが配線されており、ユニット１２と放熱板２１との接触面積が減少しないように配置される。ユニット１２ａ，１２ｂで発生した熱は、放熱板２１を介してヒートシンク２２に伝達され、ヒートシンク２２により放熱される。

従って、レーザ装置の系全体の温度上昇が抑制される。ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との間でわずかに隙間が発生する場合もある。しかし、インジウム等の熱伝導シート、シリコングリス等を挿入することで、熱抵抗を低下させることができる。

次に、ユニット１２とホルダ２０との位置関係にずれが生じた場合には、ユニット１２ａとホルダ２０間の最短距離と、ユニット１２ｂとホルダ２０間の最短距離とは、等しくなくなるため、空隙が発生する。このとき、ユニット１２と放熱板２１との接触面積が小さくなり、熱抵抗が大きくなる。

そこで、ユニット１２と放熱板２１との間に、熱抵抗値が所定値以下の熱抵抗低下素子を設け又は熱抵抗低下処理を施すことにより、接触面積を大きくして熱抵抗を小さくする幾つかの実施例を以下に例示して説明する。

（実施例１）
図４は本発明に係る実施形態に係るレーザ装置の実施例１の構成図である。図４（ａ）は、熱抵抗低下素子を設ける前の構成図、図４（ｂ）は、熱抵抗低下素子からなる球冠を設けた後の構成図である。

図４（ａ）において、放熱板２１には、凹部２１ａと孔部２２ａ，２２ｂが形成され、放熱板２１は、ホルダ２０に接触して固定されている。ホルダ２０には、レーザダイオードホルダ１０−１，１０−２とコリメートレンズホルダ１１−１，１１−２とを溶接固定したユニット１２ａ，１２ｂが取り付けられている。各レーザダイオード１０のピン１０ａ，１０ｂは、孔部２２ａ，２２ｂに挿通されている。ユニット１２ａ，１２ｂは、放熱板２１に対して傾いており、ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との間に隙間が形成されている。また、ユニット１２ａ，１２ｂの先端部には、曲率半径ｒ１の球面部１２Ｒａ，１２Ｒｂが形成されている。

次に、図４（ｂ）において、ユニット１２ａ，１２ｂの光出射方向の反対側には、熱抵抗値が所定値以下の素子（熱抵抗の小さな素材）からなる球冠１３ａ，１３ｂが形成されている。この球冠１３ａ，１３ｂは、曲率半径ｒ２の球体からなる。また、球面部１２Ｒａ，１２Ｒｂの曲率中心位置Ｏと球冠１３ａ，１３ｂの曲率中心位置とは一致している。放熱板２１にも、曲率中心位置が曲率中心位置Ｏと一致する球状の窪み部２３ａ，２３ｂが形成されている。

ユニット１２ａ，１２ｂの先端から球冠１３ａ，１３ｂの頂部までの長さは、ｒ１＋ｒ２に等しくなるように、放熱板２１のスペース高さを決めておく。

以上の構成によれば、球面部１２Ｒａ，１２Ｒｂと球冠１３ａ，１３ｂと窪み部２３ａ，２３ｂとの曲率半径の和がｒ１＋ｒ２で、ユニット１２ａ，１２ｂの先端から球冠１３ａ，１３ｂまでの長さがｒ１＋ｒ２となることから、球の中心が一致する。このため、ユニット１２ａ，１２ｂが放熱板２１に対して傾いても、ユニット１２ａ，１２ｂの傾きに依存せずに、ユニット１２ａ，１２ｂと球冠１３ａ，１３ｂと放熱板２１とが常に最大の接触面積で接触する。従って、伝熱部材を挿入した場合に比べて、熱抵抗が低下する。これによって、レーザダイオード電流を上昇させた時のレーザダイオードの温度上昇及び効率低下を防止することができる。

また、ユニット１２ａ，１２ｂの先端部をある曲率の凸部とし、ホルダ２０の受け側もある曲率の凹部とすることで、ユニット１２ａ，１２ｂの位置合わせが簡単になる。

（実施例２）
図５は本発明に係るレーザ装置の実施例２の構成図である。図５（ａ）は、熱抵抗低下処理を施す前の構成図、図５（ｂ）は、熱抵抗低下処理を施した後の構成図である。

図５（ａ）に示すように、ユニット１２ａ，１２ｂは、放熱板２１に対して傾き、ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との間に隙間が形成されている。

図５（ｂ）に示すように、ユニット１２ａ，１２ｂをホルダ２０に溶接固定した後に、これらの背面（光出射方向の逆）の高さ情報を、三次元高さ測定装置等を利用して、三次元位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を得る。

次に、高さｚの位置情報に基づき、放熱板２１を切削加工して切削部２４ａ，２４ｂを形成する。この切削部２４ａ，２４ｂにユニット１２ａ，１２ｂの下端が接触する。このため、各ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との接触面積を増大させることができる。各ユニット１２ａ，１２ｂの下面（背面）は、平らになるように作製されているため、切削工具の挿入角度を各ユニット１２ａ，１２ｂの背面の垂線方向になるように加工すると、効率が良くなる。

また、切削加工時には、ＮＣ（Numerical control）加工を用いると、作業性が向上する。なお、ＮＣ加工では、三次元位置情報を必要とするので、本実施例との親和性が高い。

また、実施例２では、放熱板２１をＮＣ加工したが、これに代えて、各ユニット１２ａ，１２ｂをＮＣ加工しても良い。

（実施例３）
図６は本発明に係るレーザ装置の実施例３の構成図である。実施例３のレーザ装置では、ユニット１２ａ，１２ｂをホルダ２０に溶接固定した後に、これらの背面（光出射方向の逆）の高さ情報を、三次元高さ測定装置等を利用して、三次元位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を得る。

次に、高さｚの位置情報に基づき、三次元プリンタにより放熱板２１上に金属１４ａ，１４ｂを積層造形する。このため、各ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との接触面積を増大させることができる。積層造形に使用される金属は、放熱板２１と同等の熱抵抗を有し、強固に接続される金属材料を用いる。放熱板２１は、熱伝導率の高い金属素材、例えば、銅、アルミニウム等である。

また、実施例３では、放熱板２１を積層造形加工したが、これに代えて、各１２ａ，１２ｂを積層造形加工しても良い。

（実施例４）
図７は本発明に係るレーザ装置の実施例４の構成図である。図７（ａ）は、熱抵抗低下処理を施す前の構成図、図７（ｂ）は、熱抵抗低下処理を施した後の構成図である。

ユニット１２ａ，１２ｂをホルダ２０に溶接固定した後に、これらの背面（光出射方向の逆）の高さ情報を、三次元高さ測定装置等を利用して、三次元位置情報（ｘ，ｙ，ｚ）を得る。

次に、高さｚの位置情報に基づき、レーザ加工装置を用いて、放熱板２１に対してアブレーション加工を行う。アブレーション加工とは、パルスレーザを放熱板２１に照射して、固体構成物質を放出させることで、レーザ加工することをいう。

アブレーション加工により、放熱板２１にはアブレーション加工部２５ａ，２５ｂが形成される。このアブレーション加工部２５ａ，２５ｂにユニット１２ａ，１２ｂの背面が接触するので、各ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との接触面積を増大させることができる。

また、実施例４では、放熱板２１をアブレーション加工したが、これに代えて、各ユニット１２ａ，１２ｂをアブレーション加工しても同様な効果が得られる。

（実施例５）
図８は本発明に係るレーザ装置の実施例５の構成図である。図８に示すように、ユニット１２ａ，１２ｂをホルダ２０に溶接固定する。放熱板２１の接触する表面には、予め微細な溝部を設けておく。溝部は、Ｖ字状の溝等の毛細管現象を利用し半田の流れを良くするための構造であり、半田１５ａ，１５ｂの放熱板２１への濡れ性、接着性を高めることができる。

放熱板２１の表面全体又は各ユニット１２ａ，１２ｂと接触する範囲にある表面に半田１５ａ，１５ｂを塗布する。溝部を形成することにより、半田１５ａ，１５ｂが放熱板２１と各ユニット１２ａ，１２ｂとの間に流れやすくさせることができる。

半田１５ａ，１５ｂにより放熱板２１と各ユニット１２ａ，１２ｂとを接触させて加熱して、放熱板２１と各ユニット１２ａ，１２ｂとを半田接合する。これにより、各ユニット１２ａ，１２ｂと放熱板２１との接触面積を増大させることができる。

このとき、各ユニット１２ａ，１２ｂ内のレーザダイオード１０の温度が絶対最大定格温度（例えば８０℃）を超えないようにレーザダイオード１０を選択冷却することが望ましい。また、半田１５ａ，１５ｂとしては、低融点半田等を用いると、プロセスが簡単になる。

本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等の高出力レーザ装置に適用可能である。

Claims (7)

1. 複数のレーザダイオードと、
   前記複数のレーザダイオードと対応して設けられた複数の光学素子と、
   前記複数のレーザダイオードに対応して設けられ、各レーザダイオード毎に、レーザダイオードと光学素子とを固定して作製される複数のユニットと、
   前記複数のレーザダイオードから出射されるビームをファイバに集光させる集光部と、
   前記複数のユニットと前記集光部とを収納する収納部と、
   前記複数のユニットの放熱を行うための放熱部とを備え、
   前記放熱部と各ユニットとの間に、熱抵抗値が所定値以下の熱抵抗低下素子を設けるか、又は熱抵抗低下処理を施したレーザ装置。
2. 前記熱抵抗低下素子は、各ユニットの光出射方向の反対側に形成され曲率中心位置が各ユニットの曲率中心位置と一致する球冠からなり、前記放熱部には、曲率中心位置が各ユニットの曲率中心位置と一致する球状の窪み部が形成されている請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記熱抵抗低下処理は、前記放熱部又は各ユニットに対して切削加工処理を施す請求項１記載のレーザ装置。
4. 前記熱抵抗低下処理は、前記放熱部又は各ユニット上に積層造形技術を用いて付加加工処理を施す請求項１記載のレーザ装置。
5. 前記熱抵抗低下処理は、前記放熱部又は各ユニットに対してアブレーション加工処理を施す請求項１記載のレーザ装置。
6. 前記熱抵抗低下素子は、前記放熱部と各ユニットとの間を半田接合する半田からなる請求項１記載のレーザ装置。
7. 各ユニットを自然冷却又は強制冷却する冷却部を備える請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のレーザ装置。

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